雕龄科普：从化学视角剖析烫发、染发原理

烫发、染发是人为设计改变头发的形状和颜色，此过程与头发的结构和组成密切相关。众所周知，头发的主要成分是蛋白质。除此之外是否含有其他物质？头发的结构又如何？

头发（毛干）的横断面从外到里可分为毛表皮（ｃｕｔｉｃｌｅ）、毛皮质（ｃｏｒｔｅｘ）、毛髓质 （ｍｅｄｕｌｌａ）等３个部分。

毛表皮又称毛鳞片等，为毛干的最外层，由鳞片或瓦状细胞组成。毛表皮内含有丰富的高硫蛋白，能抵御外界物理和化学因素的影响，对头发内部的结构起到了保护作用。

毛皮质紧密包裹在髓质的周围，是毛干的主要成分，其主体是由２～３股α螺旋的角蛋白组成直径为２×１０－３ μｍ 原纤维，皮质纤维的多少直接决定头发的粗细。此外，皮质细胞基质中还含有色素颗粒———真黑色素和类黑色素，真黑色素是黑色或棕色，类黑色素是黄色或红色。色素颗粒的种类和多少直接决定着头发的颜色。

髓质位于毛干的中心，其内部有无数气孔。这些饱含空气的洞孔具有隔热的作用，同时可以提高头发的强度和刚性。除此之外，头发内部还含有内部脂质，主要位于毛表皮细胞之间以及毛表皮与皮质细胞之间的缝隙之中，称为细胞膜络合物 （简称 ＣＭＣ），确保细胞之间的凝聚力。

头发的生长在生长期和静止期之间呈周期性交替，通常约８５％的头发处于生长期。头发主要是由角质蛋白 （ｋｅｒａｔｉｎ）分子组成的角质纤维通过右螺旋的方式相缠绕而成。

使用高效液相色谱法等方法对酵解后的头发纤维进行氨基酸的种类和含量测试，发现头发蛋白中氨基酸种类丰富，其中半胱氨酸含量最高，约占１７％，如表１所示。

角蛋白的分子结构之所以紧密是因为在半胱氨酸的侧链上有一个化学性质很活泼的巯基（－ＳＨ），插在不同地方的２个半胱氨酸通过Ｓ—Ｓ的方式结合生成胱氨酸，相邻２个肽链中的巯基基团也会反应生成二硫键而相互交联。富含二硫键的交联结构使得头发有一定的形状和韧性，犹如一个巨大的分子弹簧，为烫发提供了结构基础。

化学烫发根据是否加热可分为 “冷烫”和 “热烫”。

冷烫的烫发剂主要由碱剂、氧化剂与还原剂组成。在烫发时，为了使药水顺利进入皮质层需先用碱剂将头发的毛鳞片打开，然后使用还原剂如巯基乙酸 （ＨＳＣＨ２ＣＯＯＨ）或巯基乙酸盐通过其强的还原作用打开头发多肽链之间的二硫键，形成半胱氨酸基团，从而软化发丝。将头发绕在圆筒形发卷上，再用弱氧化剂如过氧化氢 （Ｈ２Ｏ２），使二硫键在新的位置上重新形成，蛋白质链就按照发卷的形状排列起来，头发干燥后即形成所设计的形状

热烫是将头发绕在卷发杠上，然后用氨水和亚硫酸钾的混合液或三乙醇胺等碱剂浸润头发，加热１０ｍｉｎ左右，拿掉卷发杠子，洗去药液即成型。热烫过程中持续地加热不仅会改变二硫键的排列也会使得氢键丧失记忆而重新排列。

从化学视角来看，烫发过程就是二硫键的断裂和形成。头发经过拉直或卷曲，多肽链间的二硫键容易出现错位，原先断开的二硫键不能全部接回，直接影响头发中蛋白质的含量，且使得烫后发质脆弱易断。

合成染发剂（衍生于石油产品）又称氧化型染发剂，有粉状、液状、膏状及染发香波等多种剂型，此种染发剂本身没有颜色，氧化后才显出颜色。

合成染发剂染发步骤的具体原理为：在碱性条件下，中间剂经过一系列反应在皮质层生成有色缩合物，从而改变发色。在碱性条件的作用下，对苯二胺等中间剂可以进入到头发皮质层的粗纤维和细纤维的角蛋白中，一端的氨基与头发蛋白作用，另一端则通过氧化剂与耦合剂相连，发生氧化和缩合反应，在这个过程中合成的不溶性的有色染料大分子，附着在头发上，使头发呈棕色至黑色。

常见的染发中间体及染后头发体现出来的颜色

综合以上分析，烫发原理为二硫键的断裂与形成；染发的原理是显色分子通过毛表皮与毛皮质之间的氧化或络合反应生成有色络合物而显色，目前应用较多。

自然状态下，未损伤头发的鳞片层排列紧密，经过烫发，毛鳞片在碱剂的作用下打开，还原剂、氧化剂进入皮质层与二硫键发生氧化还原反应，毛鳞片结构变得疏松，鳞片层规整度降低。

在染发过程中染发剂透过鳞片层的空隙进入角质层与蛋白质作用，使鳞片无法恢复精密状态，有轻微的剥蚀现象。

烫发、染发虽能够改变头发的形状和颜色以达到美化形象的目的，但在一定程度上会破坏头发结构、组分的完整性，同时频繁烫发或染发对头发的伤害更大，会导致头发光泽、强度和弹性等不同程度地减弱，很难通过头发的自然修护复原。因此，需谨慎对待烫发、染发。